基于聚多巴胺-二氧化锰- IR780碘化物的多功能光治纳米平台，用于有效磁共振成像引导的协同光动力/光热治疗

【研究背景】

近年来，光治疗学引起了人们的极大兴趣。与传统的治疗方法不同，光疗结合了实时诊断和原位治疗，由于非侵入性和低毒副作用使其成为一种很有前途的癌症治疗方法。光疗包括光热疗法(photothermal therapy, PTT) 和光动力疗法(photodynamictherapy, PDT)，通常依靠光热剂(photothermal agents, PTAs)和光敏剂(photosensitizers, PSs)将外部光能转化为热或活性氧(reactiveoxygen species, ROS)来消灭癌细胞。然而，单独使用PTT和PDT的疗效往往是有限的。PTT的抗肿瘤作用受到肿瘤细胞耐热性发展的限制。同样，肿瘤微环境缺氧阻碍了PDT的氧依赖性疗效。值得注意的是，PTT与PDT的结合不仅继承了光疗的优点，而且可以使两种治疗方法相辅相成，提高疗效、减少毒副作用，是一种有效的治疗策略。

【成果介绍】

为此，湖北大学易昌凤教授团队选择毒性低、制备简便的聚多巴胺(PDA)纳米颗粒作为载体。在其表面可控生长超薄二氧化锰(MnO2)纳米片，并进一步加载IR780分子后，得到了多功能光疗纳米粒子(PMIDA)。该纳米粒子具有以下优点：(1)将IR780加载在PDA载体上可以有效降低其生物毒性。(2)IR780和PDA的光热效应增强了PTT的抗肿瘤作用。(3) MnO2诱导肿瘤微环境中产生氧气，解决了肿瘤缺氧困境，提高了PDT疗效。(4) Mn2+作为造影剂，促进核磁共振成像(MRI)T1加权。PMIDA纳米平台通过诊疗一体化，提高了治疗的准确性，降低了时间成本，增强了抗肿瘤效果，充分发挥了MRI引导的PTT/PDT协同作用的优势。

首先，该团队成功制备了PDA NPs，在其表面成功生长和负载了MnO2纳米片和IR780分子，得到了多功能光疗PMIDA NPs，这些纳米粒子尺寸均一、表面片层结构清晰，锰元素均匀分布在每个纳米粒子表面。（图1）

接着，该团队对PMIDA NPs的尺寸稳定性，产氧量及光热、光动特性进行了验证，这为纳米粒子在细胞和体内的进一步应用奠定了基础。（图2）

紧接着，在细胞层面对PMIDA NPs进行验证。通过细胞摄取实验可知PMIDA NPs可以很好地被细胞摄取。在PMIDA NPs对细胞的暗毒性和光毒性实验中， PMIDA NPs表现出较好的生物相容性，而经激光照射后细胞的存活率明显下降，说明PMIDA NPs有很好的光控作用，是一种具有治疗“开关”功能的材料。此外，从细胞活死染实验中可以看到，相较于纯PDA和游离的IR780，受光照后的PMIDA NPs对癌细胞有更大的杀伤作用，说明PMIDA NPs加成了PDA和IR780的光热能力。在验证PMIDA NPs光动能力的实验中，与游离的IR780相比，PMIDA NPs在细胞中有更强的ROS生成能力。（图3-4）

然后，体内MRI实验表明，PMIDANPs是一种优秀的MRI造影剂，循环24 h后可在体内有效积累，为后续的体内治疗提供指导和预后评估。（图5）

最后，体内实验表明，从尾静脉注射的PMIDA NPs能有效聚集在肿瘤组织中。与设计预期一致，所有结果表明PMIDA NPs具有良好的生物相容性，在激光诱导下表现出较好的PTT/PDT效果，因此，我们认为PMIDA NPs在肿瘤治疗领域具有巨大的潜力，将为肿瘤的多功能光疗提供一个新的视角。（图6-7）

原理图.PMIDA NPs的制备和应用原理

图1 PMIDA NPs分别在pH 7.4 PBS中(a)和在pH 5.5 PBS + 0.3 mM H2O2中(b)孵育10 min后的TEM图像。(c) PDA(黑色)和PMIDA(红色)水合粒径大小。(d)相同浓度的PDA(黑色)、PMDA(红色)和PMDA(蓝色)NPs的紫外可见光谱。(e) PMIDA NPs制备过程中zeta电位的变化。 (f)PMIDA NPs [Mn] 2p峰的XPS谱。(g) PMIDA NPs的场发射扫描电镜(FESEM)图像及相应的EDS分析结果。(h)PMIDA NPs元素分析图。

图2 (a) PCS测试4周内纯PDA(黑色)和PMIDA(红色)的尺寸变化。(b) 不同条件下的氧气生成。(c)水(黑色)、IR780(红色)或PMIDA(蓝色)与SOSG反应的荧光变化。 (d) 相同条件下PDA、IR780和PMIDA的温度变化曲线。(e) 近红外激光辐照IR780和PMIDA三个开/关周期的温度变化曲线。(f)PMIDA NPs的线性时间曲线-ln(T/ Tmax)；插图显示PMIDA NPs溶液在808 nm, 1 W/cm2, 10分钟的激光照射下的光热效应。(g) IR780及PMIDA NPs的光热图像。

图3 (a) 4T1细胞对PMIDA NPs的细胞摄取。(b)不同浓度的PMIDA NPs或游离IR780孵育24 h后，4T1细胞的相对细胞活力。(c)808 nm激光(1W/cm2)照射不同浓度的PMIDA NPs 10 min后细胞存活率为4T1。(d) PBS、IR780、PDA和PMIDA处理4T1细胞后，在808nm激光照射(1W/cm2, 10 min)下对4T1细胞进行Calcein-AM和PI活死双细胞染色。

图4 IR780组、材料组和激光组的ROS荧光图像。在最右侧的图像中，用流式细胞仪定量荧光强度。

图5 (a)对不同浓度的PMIDA NPs进行体外T1-MR成像。(b) Mn2+浓度与1/T1的线性拟合。(c)4T1肿瘤切片T1加权MR信号对应的归一化信号强度增强。 (d)4T1荷瘤小鼠静脉注射PMIDA NPs前后的体内MR图像。

图6 (a)注射PMIDA NPs小鼠的血液循环。(b)注射24h后PMIDA NPs在小鼠体内的组织分布。

图7 (a)光热成像图片。14天内小鼠体重(b)和相对肿瘤体积(c)的变化。 (d)14天治疗期后肿瘤组织的最终重量。(e)不同治疗方法治疗后14天的肿瘤图像。(f)小鼠存活率。(g)H&E染色和TUNEL染色的肿瘤图像。

综上所述，该团队成功制备了一种诊疗一体化纳米粒子——PMIDA，用于MRI引导的多功能光线治疗。该纳米粒子很好地继承光疗毒性低、副作用少等优点，极大限度地扬其优、避其弊。此外，PDA诱导MnO2原位生长不仅能有效防止药物渗漏，还能有效促进IR780介导的PDT的作用。与传统的PDA纳米颗粒相比，PMIDA具有更高的光热效应，同时在促进IR780静脉注射方面具有良好的应用前景。

湖北大学博士生莫智敏、华中科技大学同济医学院博士生邱梦君为论文共同第一作者，易昌凤教授（湖北大学）、熊枝繁教授（华中科技大学同济医学院）、廖光福教授（中国地质大学（武汉））和杨盛力教授（华中科技大学同济医学院）为该文章的共同通讯作者。

【作者简介】

易昌凤，博士生导师、教授，主要研究领域：功能性聚合物、聚合物乳液、纳米（功能）微球。

廖光福，研究员/教授，于2020年6月获得中山大学材料物理与化学专业的博士学位。之后于香港中文大学机械与自动化工程系从事副研究员，于2021年8月在中国地质大学担任研究员职位。他的研究主要包括聚合物合成与应用、氧化还原流电池、纳米结构材料、光电催化、生物材料、气体储存和能量转换等。至今已经在Progressin Materials Science、Energy & Environmental Science、Trends in Chemistry、ACS Catalysis、Nano Energy、Macromolecules、Small、Journal of Materials ChemistryA、Journalof Catalysis、ChemicalEngineering Journal、Nano Reseach 等国际著名刊物发表 SCI 论文40余篇，授权专利 10 篇。论文引用 1400次，H-index23。并长期担任ACSNano、Macromolecules、Applied Catalysis B:Environmental、ACS AppliedMaterials & Interfaces、Chemical Engineering Journal、The Journal of PhysicalChemistry C等国际著名期刊审稿人。具体可参照以下链接http://hmyang.cug.edu.cn/index/index/details/?id=247或者http://orcid.org/0000-0003-1299-8106。

【文章信息】

Mo Z., Qiu M., Zhao K.et al. Multifunctionalphototheranostic nanoplatform based on polydopamine-manganese dioxide-IR780iodide for effective magnetic resonance imaging-guided synergisticphotodynamic/photothermal therapy. Journal of Colloid and Interface Science,2021. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.12.071